La electrnica de potencia (o electrnica de las corrientes fuertes1) es una tcnica relativamente nueva que se ha desarrollado gracias al avance tecnolgico que se ha alcanzado en la produccin de dispositivos semiconductores, y se define como "la tcnica de las modificaciones de la presentacin de la energa elctrica" o bien como "la aplicacin de la electrnica de estado slido para el control", el cual el control se encarga del rgimen permanente y de las caractersticas dinmicas de los sistemas de lazo cerrado. La energa tiene que ver con el equipo de potencia esttica, rotatoria o giratoria, para la generacin, transmisin, distribucin y utilizacin de la energa elctrica. La electrnica se ocupa de los dispositivos y circuitos de estado slido requeridos en el procesamiento de seales para cumplir con los objetivos del control deseados y la conversin de la energa elctrica. En la figura 1 se puede apreciar un esquema bsico de bloques de un sistema electrnico de potencia.

Figura. 1: Diagrama de bloques del convertidor de potencia operando en lazo cerrado 1 corrientes fuertes: se refiere a corrientes grandes como de 15Amp, o mayores. El desarrollo tecnolgico experimentado por la electrnica de potencia durante los ltimos cuarenta aos la ha consolidado en la actualidad como una herramienta indispensable para el funcionamiento de todos los mbitos de nuestra sociedad tanto industrial como el de servicios y domestico. Esta posicin se ha conseguido con la continua aportacin, de los tcnicos especializados en electrnica de potencia. En la figura 2 se muestra un esquema de la electrnica de potencia como una disciplina interdisiplinar.

Figura 2. La electrnica de potencia como una disciplina interdisiplinar. La demanda del mercado es la que estira de las tecnologas y la electrnica de potencia empujada por el mercado, es una tecnologa posibilitadora, es decir, juega solamente un papel de soporte al desarrollo de las otras tecnologas. La demanda actual consiste en la integracin de la electrnica de potencia en sistemas de procesado de energa. Hay que dejar de hacer electrnica de potencia para pasar a hacer procesado de la potencia. La introduccin de las mquinas elctricas junto con la distribucin de la energa elctrica inicio la nueva era elctrica que caracterizo la primera mitad del siglo XX. Con la invencin del transistor en el ao de 1948 se inicio la primera revolucin electrnica, que nos introdujo en la era electrnica durante la cual asistimos a la aparicin de los circuitos integrados, ordenadores, comunicaciones, informtica, Internet y la automatizacin que nos llevaron hacia la sociedad de la informacin que produjo el fenmeno de la llamada "globalizacin". Mientas tanto, con la invencin del tiristor en 1956 se produjo de forma silenciosa y lenta la llamada por algunos "segunda revolucin electrnica", que culmina con la madurez de la electrnica de potencia a mediados del siglo XXI. Es importante destacar que la electrnica de potencia esencialmente consiste en una mezcla de tecnologas impulsoras de la era mecnica, de la era elctrica y de la era electrnica. Nos encontramos ante una nueva tecnologa realmente interdisciplinar. La electrnica de potencia, con su esencia interdisciplinar, est destinada a desempear un importante papel en la consecucin de estos objetivos. La energa ha sido siempre necesaria para asegurar el continuo progreso de la humanidad. fffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffff La Electrnica de Potencia es una disciplina que trata de la conversin esttica de la energa elctrica y que, actualmente, adquiere una relevancia fundamental en las sociedades avanzadas

puesto que permite optimizar el rendimiento de estas conversiones energticas y tambin, un diseo ms sostenible. Este texto est elaborado a partir de unos contenidos que pueden ser impartidos en asignaturas de las nuevas titulaciones de grado en ingenieras de la rama industrial, como la Electricidad y la Electrnica Industrial y Automtica. Est pues pensado para los estudiantes de dichas titulaciones. Los contenidos tericos responden a los objetivos cognoscitivos fijados en cada captulo y se consolidan mediante ejercicios resueltos. Una primera parte (captulos 1 a 3) se dedica a la introduccin a la Electrnica de Potencia y contempla sus mbitos de aplicacin, las herramientas tericas que se utilizan a lo largo del texto y el estudio detallado y sistemtico de los interruptores y del proceso de conmutacin. La segunda parte del texto (captulos 4 a 7) se dedica a las estructuras fundamentales de conversin esttica CC/CC, CC/CA, CA/CC y CA/CA. Se dedica el ltimo captulo (tercera parte) a una introduccin al control en lazo cerrado de los convertidores estticos, abriendo la posibilidad de una continuidad en la profundizacin en esta disciplina. Eduard Ballester Portillo y Robert Piqu Lpez son doctores ingenieros industriales y estn adscritos al Departamento de Ingeniera Electrnica de la Universidad Politcnica de Catalua. Tienen una dilatada experiencia profesional y docente en Electrnica de Potencia. Ejercen sus actividades acadmicas como catedrticos en la Escuela Industrial de Barcelona y como miembros de la Unidad de Investigacin y de Transferencia de Tecnologa en Electrnica de Potencia y Accionamientos Elctricos.

Elementos bsicos en electrnica de potenciaSupervisin: J. Domingo Aguilar Pea Realizacin: Miguel Angel Montejo Rez

Este tutorial est preparado para ser visualizado a una resolucin de 800x600 pixels de pantalla. Si emplea una resolucin menor algunas partes no se visualizarn completamente y aparecern barras de desplazamiento en el navegador. INTRODUCCION Introduccin a los dispositivos electrnicos de potencia. Simbologa. DISPOSITIVOS ELECTRONICOS DE POTENCIA Diodos de potencia.

Transistores de potencia. Smart Power. Rels. Optoacopladores.

El diodo de potencia. Caractersticas estticas

Parmetros en bloqueo. Parmetros en conduccin. Modelos estticos de diodo. Caractersticas dinmicas

Tiempo de recuperacin inverso. Influencia del trr en la conmutacin. Tiempo de recuperacin directo. Disipacin de potencia

Potencia mxima disipable (Pmx). Potencia media disipada (PAV). Potencia inversa de pico repetitiva (PRRM). Potencia inversa de pico no repeptitiva (PRSM). Caractersticas trmicas

Temperatura de la unin (Tjmx). Temperatura de almacenamiento (Tstg). Resistencia trmica unin-contenedor (Rjc). Resistencia trmica contenedor-disipador (Rcd). Proteccin contra sobreintensidades

Principales causas de sobreintensidades. Organos de proteccin. Parmetro I2t.

El diodo de potencia Uno de los dispositivos ms importantes de los circuitos de potencia son los diodos, aunque tienen, entre otras, las siguientes limitaciones : son dispositivos unidireccionales, no pudiendo circular la corriente en sentido contrario al de conduccin. El nico procedimiento de control es invertir el voltaje entre nodo y ctodo.

Los diodos de potencia se caracterizan porque en estado de conduccin, deben ser capaces de soportar una alta intensidad con una pequea cada de tensin. En sentido inverso, deben ser capaces de soportar una fuerte tensin negativa de nodo con una pequea intensidad de fugas.

El diodo responde a la ecuacin:

La curva caracterstica ser la que se puede ver en la parte superior, donde:

VRRM: tensin inversa mxima VD: tensin de codo. A continuacin vamos a ir viendo las caractersticas ms importantes del diodo, las cuales podemos agrupar de la siguiente forma:

Caractersticas estticas: o Parmetros en bloqueo (polarizacin inversa). o Parmetros en conduccin. o Modelo esttico. Caractersticas dinmicas: o Tiempo de recuperacin inverso (trr). o Influencia del trr en la conmutacin. o Tiempo de recuperacin directo. Potencias: o Potencia mxima disipable. o Potencia media disipada. o Potencia inversa de pico repetitivo. o Potencia inversa de pico no repetitivo. Caractersticas trmicas. Proteccin contra sobreintensidades.

Caractersticas estticas

Parmetros en bloqueo

Tensin inversa de pico de trabajo (VRWM): es la que puede ser soportada por el dispositivo de forma continuada, sin peligro de entrar en ruptura por avalancha. Tensin inversa de pico repetitivo (VRRM): es la que puede ser soportada en picos de 1 ms, repetidos cada 10 ms de forma continuada. Tensin inversa de pico no repetitiva (VRSM): es aquella que puede ser soportada una sola vez durante 10ms cada 10 minutos o ms. Tensin de ruptura (VBR): si se alcanza, aunque sea una sola vez, durante 10 ms el diodo puede destruirse o degradar las caractersticas del mismo. Tensin inversa contnua (VR): es la tensin continua que soporta el diodo en estado de bloqueo.

Parmetros en conduccin

Intensidad media nominal (IF(AV)): es el valor medio de la mxima intensidad de impulsos sinusuidales de 180 que el diodo puede soportar. Intensidad de pico repetitivo (IFRM): es aquella que puede ser soportada cada 20 ms , con una duracin de pico a 1 ms, a una determinada temperatura de la cpsula (normalmente 25). Intensidad directa de pico no repetitiva (IFSM): es el mximo pico de intensidad aplicable, una vez cada 10 minutos, con una duracin de 10 ms. Intensidad directa (IF): es la corriente que circula por el diodo cuando se encuentra en el estado de conduccin.

Modelos estticos del diodo

Los distintos modelos del diodo en su regin directa (modelos estticos) se representan en la figura superior. Estos modelos facilitan los clculos a realizar, para lo cual debemos escoger el modelo adecuado segn el nivel de precisin que necesitemos.

Estos modelos se suelen emplear para clculos a mano, reservando modelos ms complejos para programas de simulacin como PSPICE. Dichos modelos suelen ser proporcionados por el fabricante, e incluso pueden venir ya en las libreras del programa.Caractersticas dinmicas Tiempo de recuperacin inverso

El paso del estado de conduccin al de bloqueo en el diodo no se efecta instantneamente. Si un diodo se encuentra conduciendo una intensidad IF, la zona

central de la unin P-N est saturada de portadores mayoritarios con tanta mayor densidad de stos cuanto mayor sea IF. Si mediante la aplicacin de una tensin inversa forzamos la anulacin de la corriente con cierta velocidad di/dt, resultar que despus del paso por cero de la corriente existe cierta cantidad de portadores que cambian su sentido de movimiento y permiten que el diodo conduzca en sentido contrario durante un instante. La tensin inversa entre nodo y ctodo no se establece hasta despus del tiempo ta llamado tiempo de almacenamiento, en el que los portadores empiezan a escasear y aparece en la unin la zona de carga espacial. La intensidad todava tarda un tiempo tb (llamado tiempo de cada) en pasar de un valor de pico negativo (IRRM) a un valor despreciable mientras van desapareciedo el exceso de portadores.

ta (tiempo de almacenamiento): es el tiempo que transcurre desde el paso por cero de la intensidad hasta llegar al pico negativo. tb (tiempo de cada): es el tiempo transcurrido desde el pico negativo de intensidad hasta que sta se anula, y es debido a la descarga de la capacidad de la unin polarizada en inverso. En la prctica se suele medir desde el valor de pico negativo de la intensidad hasta el 10 % de ste. trr (tiempo de recuperacin inversa): es la suma de ta y tb.

Qrr: se define como la carga elctrica desplazada, y representa el rea negativa de la caracterstica de recuperacin inversa del diodo. di/dt: es el pico negativo de la intensidad. Irr: es el pico negativo de la intensidad.

La relacin entre tb/ta es conocida como factor de suavizado "SF".

Si observamos la grfica podemos considerar Qrr por el rea de un tringulo :

De donde :

Para el clculo de los parmetros IRRM y Qrr podemos suponer uno de los dos siguientes casos:

Para ta = tb trr = 2ta

Para ta = trr tb = 0

En el primer caso obtenemos:

Y en el segundo caso:

Influencia del trr en la conmutacin Si el tiempo que tarda el diodo en conmutar no es despreciable :

Se limita la frecuencia de funcionamiento. Existe una disipacin de potencia durante el tiempo de recuperacin inversa.

Para altas frecuencias, por tanto, debemos usar diodos de recuperacin rpida.

Factores de los que depende trr :

A mayor IRRM menor trr. Cuanta mayor sea la intensidad principal que atraviesa el diodo mayor ser la capacidad almacenada, y por tanto mayor ser trr.

Tiempo de recuperacin directo tfr (tiempo de recuperacin directo): es el tiempo que transcurre entre el instante en que la tensin nodo-ctodo se hace positiva y el instante en que dicha tensin se estabiliza en el valor VF.

Este tiempo es bastante menor que el de recuperacin inversa y no suele producir prdidas de potencia apreciables.

Disipacin de potencia Potencia mxima disipable (Pmx) Es un valor de potencia que el dispositivo puede disipar, pero no debemos confundirlo con la potencia que disipa el diodo durante el funcionamiento, llamada sta potencia de trabajo. Potencia media disipada (PAV) Es la disipacin de potencia resultante cuando el dispositivo se encuentra en estado de conduccin, si se desprecia la potencia disipada debida a la corriente de fugas.

Se define la potencia media (PAV) que puede disipar el dispositivo, como :

Si incluimos en esta expresin el modelo esttico, resulta :

y como :

es la intensidad media nominal

es la intensidad eficaz al cuadrado Nos queda finalmente :

Generalmente el fabricante integra en las hojas de caractersticas tablas que indican la potencia disipada por el elemento para una intensidad conocida.

Otro dato que puede dar el fabricante es curvas que relacionen la potencia media con la intensidad media y el factor de forma (ya que el factor de forma es la intensidad eficaz dividida entre la intensidad media).

Potencia inversa de pico repetitiva (PRRM) Es la mxima potencia que puede disipar el dispositivo en estado de bloqueo. Potencia inversa de pico no repeptitiva (PRSM) Similar a la anterior, pero dada para un pulso nico. Caractersticas trmicas Temperatura de la unin (Tjmx) Es el lmite superior de temperatura que nunca debemos hacer sobrepasar a la unin del dispositivo si queremos evitar su inmediata destruccin.

En ocasiones, en lugar de la temperatura de la unin se nos da la "operating temperature range" (margen de temperatura de funcionamiento), que significa que el dispositivo se ha fabricado para funcionar en un intervalo de temperaturas comprendidas entre dos valores, uno mnimo y otro mximo.Temperatura de almacenamiento (Tstg) Es la temperatura a la que se encuentra el dispositivo cuando no se le aplica ninguna potencia. El fabricante suele dar un margen de valores para esta temperatura. Resistencia trmica unin-contenedor (Rjc) Es la resistencia entre la unin del semiconductor y el encapsulado del dispositivo. En caso de no dar este dato el fabricante se puede calcular mediante la frmula:

Rjc = (Tjmx - Tc) / Pmx siendo Tc la temperatura del contenedor y Pmx la potencia mxima disipable.Resistencia trmica contenedor-disipador (Rcd) Es la resistencia existente entre el contenedor del dispositivo y el disipador (aleta refrigeradora). Se supone que la propagacin se efecta directamente sin pasar por otro medio (como mica aislante, etc). Proteccin contra sobreintensidades Principales causas de sobreintensidades La causa principal de sobreintensidad es, naturalmente, la presencia de un cortocircuito en la carga, debido a cualquier causa. De todos modos, pueden aparecer picos de corriente en el caso de alimentacin de motores, carga de condesadores, utilizacin en rgimen de soldadura, etc.

Estas sobrecargas se traducen en una elevacin de temperatura enorme en la unin, que es incapaz de evacuar las calorias generadas, pasando de forma casi instantnea al estado de cortocircuito (avalancha trmica).

Organos de proteccin Los dispositivos de proteccin que aseguran una eficacia elevada o total son poco numerosos y por eso los ms empleados actualmente siguen siendo los fusibles, del tipo "ultrarrpidos" en la mayora de los casos.

Los fusibles, como su nombre indica, actan por la fusin del metal de que estn compuestos y tienen sus caractersitcas indicadas en funcin de la potencia que pueden manejar; por esto el calibre de un fusible no se da slo con su valor eficaz de corriente, sino incluso con su I2t y su tensin.Parmetro I2t La I2t de un fusible es la caractersitca de fusin del cartucho; el intervalo de tiempo t se indica en segundos y la corriente I en amperios.

Debemos escoger un fusible de valor I2t inferior al del diodo, ya que as ser el fusible el que se destruya y no el diodo.

El transistor de potencia. Principios bsicos de funcionamiento. Caractersticas dinmicas

Tiempos de conmutacin. Caractersticas estticas

Otros parmetros importantes. Modos de trabajo y limitaciones

Modos de trabajo. Avalancha secundaria. Curvas SOA. Disipacin de potencia y protecciones

Efecto producido por carga inductiva. Protecciones. Clculo de potencias disipadas en conmutacin con carga resistiva. Clculo de potencias disipadas en conmutacin con carga inductiva. Ataque y proteccin del transistor de potencia.

El transistor de potencia El funcionamiento y utilizacin de los transistores de potencia es idntico al de los transistores normales, teniendo como caractersticas especiales las altas tensiones e intensidades que tienen que soportar y, por tanto, las altas potencias a disipar.

Existen tres tipos de transistores de potencia:

bipolar. unipolar o FET (Transistor de Efecto de Campo). IGBT. Parmetros Impedancia de entrada Ganancia en corriente Resistencia ON (saturacin) Resistencia OFF (corte) Voltaje aplicable MOS Bipolar

Alta (1010 ohmios) Media (104 ohmios) Alta (107) Media / alta Alta Alto (1000 V) Media (10-100) Baja Alta Alto (1200 V) Media (150C) Baja (10-80 Khz) Medio

Mxima temperatura de operacin Alta (200C) Frecuencia de trabajo Coste Alta (100-500 Khz) Alto

El IGBT ofrece a los usuarios las ventajas de entrada MOS, ms la capacidad de carga en corriente de los transistores bipolares:

Trabaja con tensin. Tiempos de conmutacin bajos. Disipacin mucho mayor (como los bipolares).

Nos interesa que el transistor se parezca, lo ms posible, a un elemento ideal:

Pequeas fugas. Alta potencia. Bajos tiempos de respuesta (ton , toff), para conseguir una alta frecuencia de funcionamiento. Alta concentracin de intensidad por unidad de superficie del semiconductor. Que el efecto avalancha se produzca a un valor elevado ( VCE mxima elevada). Que no se produzcan puntos calientes (grandes di/dt ).

Una limitacin importante de todos los dispositivos de potencia y concretamente de los transistores bipolares, es que el paso de bloqueo a conduccin y viceversa no se hace instantneamente, sino que siempre hay un retardo (ton , toff). Las causas fundamentales de estos retardos son las capacidades asociadas a las uniones colector - base y base emisor y los tiempos de difusin y recombinacin de los portadores. Principios bsicos de funcionamiento La diferencia entre un transistor bipolar y un transistor unipolar o FET es el modo de actuacin sobre el terminal de control. En el transistor bipolar hay que inyectar una corriente de base para regular la corriente de colector, mientras que en el FET el control se hace mediante la aplicacin de una tensin entre puerta y fuente. Esta diferencia vienen determinada por la estructura interna de ambos dispositivos, que son substancialmente distintas.

Es una caracterstica comn, sin embargo, el hecho de que la potencia que consume el terminal de control (base o puerta) es siempre ms pequea que la potencia manejada en los otros dos terminales. En resumen, destacamos tres cosas fundamentales:

En un transistor bipolar IB controla la magnitud de IC. En un FET, la tensin VGS controla la corriente ID. En ambos casos, con una potencia pequea puede controlarse otra bastante mayor.

Tiempos de conmutacin

Cuando el transistor est en saturacin o en corte las prdidas son despreciables. Pero si tenemos en cuenta los efectos de retardo de conmutacin, al cambiar de un estado a otro se produce un pico de potencia disipada, ya que en esos instantes el producto IC x VCE va a tener un valor apreciable, por lo que la potencia media de prdidas en el transistor va a ser mayor. Estas prdidas aumentan con la frecuencia de trabajo, debido a que al aumentar sta, tambin lo hace el nmero de veces que se produce el paso de un estado a otro.

Podremos distinguir entre tiempo de excitacin o encendido (ton) y tiempo de apagado (toff). A su vez, cada uno de estos tiempos se puede dividir en otros dos.

Tiempo de retardo (Delay Time, td): Es el tiempo que transcurre desde el instante en que se aplica la seal de entrada en el dispositivo conmutador, hasta que la seal de salida alcanza el 10% de su valor final. Tiempo de subida (Rise time, tr): Tiempo que emplea la seal de salida en evolucionar entre el 10% y el 90% de su valor final. Tiempo de almacenamiento (Storage time, ts): Tiempo que transcurre desde que se quita la excitacin de entrada y el instante en que la seal de salida baja al 90% de su valor final. Tiempo de cada (Fall time, tf): Tiempo que emplea la seal de salida en evolucionar entre el 90% y el 10% de su valor final. Por tanto, se pueden definir las siguientes relaciones :

Es de hacer notar el hecho de que el tiempo de apagado (toff) ser siempre mayor que el tiempo de encendido (ton).

Los tiempos de encendido (ton) y apagado (toff) limitan la frecuencia mxima a la cual puede conmutar el transistor:

Otros parmetros importantes

Corriente media: es el valor medio de la corriente que puede circular por un terminal (ej. ICAV, corriente media por el colector).

Corriente mxima: es la mxima corriente admisible de colector (ICM) o de drenador (IDM). Con este valor se determina la mxima disipacin de potencia del dispositivo. VCBO: tensin entre los terminales colector y base cuando el emisor est en circuito abierto. VEBO: tensin entre los terminales emisor y base con el colector en circuito abierto. Tensin mxima: es la mxima tensin aplicable entre dos terminales del dispositivo (colector y emisor con la base abierta en los bipolares, drenador y fuente en los FET). Estado de saturacin: queda determinado por una cada de tensin prcticamente constante. VCEsat entre colector y emisor en el bipolar y resistencia de conduccin RDSon en el FET. Este valor, junto con el de corriente mxima, determina la potencia mxima de disipacin en saturacin. Relacin corriente de salida - control de entrada: hFE para el transistor bipolar (ganancia esttica de corriente) y gds para el FET (transconductancia en directa).

Modos de trabajo Existen cuatro condiciones de polarizacin posibles. Dependiendo del sentido o signo de los voltajes de polarizacin en cada una de las uniones del transistor pueden ser :

Regin activa directa: Corresponde a una polarizacin directa de la unin emisor base y a una polarizacin inversa de la unin colector - base. Esta es la regin de operacin normal del transistor para amplificacin. Regin activa inversa: Corresponde a una polarizacin inversa de la unin emisor base y a una polarizacin directa de la unin colector - base. Esta regin es usada raramente. Regin de corte: Corresponde a una polarizacin inversa de ambas uniones. La operacin en sta regin corresponde a aplicaciones de conmutacin en el modo apagado, pues el transistor acta como un interruptor abierto (IC 0). Regin de saturacin: Corresponde a una polarizacin directa de ambas uniones. La operacin en esta regin corresponde a aplicaciones de conmutacin en el modo encendido, pues el transistor acta como un interruptor cerrado (VCE 0).

Avalancha secundaria. Curvas SOA.

Si se sobrepasa la mxima tensin permitida entre colector y base con el emisor abierto (VCBO), o la tensin mxima permitida entre colector y emisor con la base abierta (VCEO), la unin colector - base polarizada en inverso entra en un proceso de ruptura similar al de cualquier diodo, denominado avalancha primaria.

Sin embargo, puede darse un caso de avalancha cuando estemos trabajando con tensiones por debajo de los lmites anteriores debido a la aparicin de puntos calientes (focalizacin de la intensidad de base), que se produce cuando tenemos polarizada la unin base - emisor en directo. En efecto, con dicha polarizacin se crea un campo magntico transversal en la zona de base que reduce el paso de portadores minoritarios a una pequea zona del dispositivo (anillo circular).La densidad de potencia que se concentra en dicha zona es proporcional al grado de polarizacin de la base, a la corriente de colector y a la VCE, y alcanzando cierto valor, se produce en los puntos calientes un fenmeno degenerativo con el consiguiente aumento de las prdidas y de la temperatura. A este fenmeno, con efectos catastrficos en la mayor parte de los casos, se le conoce con el nombre de avalancha secundaria (o tambin segunda ruptura). El efecto que produce la avalancha secundaria sobre las curvas de salida del transistor es producir unos codos bruscos que desvan la curva de la situacin prevista (ver grfica anterior). El transistor puede funcionar por encima de la zona lmite de la avalancha secundaria durante cortos intervalos de tiempo sin que se destruya. Para ello el fabricante suministra unas curvas lmites en la zona activa con los tiempos lmites de trabajo, conocidas como curvas FBSOA.

Podemos ver como existe una curva para corriente continua y una serie de curvas para corriente pulsante, cada una de las cuales es para un ciclo concreto.

Todo lo descrito anteriormente se produce para el ton del dispositivo. Durante el toff, con polarizacin inversa de la unin base - emisor se produce la focalizacin de la corriente en el centro de la pastilla de Si, en un rea ms pequea que en polarizacin directa, por lo que la avalancha puede producirse con niveles ms bajos de energa. Los lmites de IC y VCE durante el toff vienen reflejado en las curvas RBSOA dadas por el fabricante.Efecto producido por carga inductiva. Protecciones. Las cargas inductivas someten a los transistores a las condiciones de trabajo ms desfavorables dentro de la zona activa.

En el diagrama superior se han representado los diferentes puntos idealizados de funcionamiento del transistor en corte y saturacin. Para una carga resistiva, el transistor

pasar de corte a saturacin. Para una carga resistiva, el transistor pasar de corte a saturacin por la recta que va desde A hasta C, y de saturacin a corte desde C a A. Sin embargo, con una carga inductiva como en el circuito anterior el transistor pasa a saturacin recorriendo la curva ABC, mientras que el paso a corte lo hace por el tramo CDA. Puede verse que este ltimo paso lo hace despus de una profunda incursin en la zona activa que podra fcilmente sobrepasar el lmite de avalancha secundaria, con valor VCE muy superior al valor de la fuente (Vcc).

Para proteger al transistor y evitar su degradacin se utilizan en la prctica varios circuitos, que se muestran a continuacin :

a) Diodo Zner en paralelo con el transistor (la tensin nominal zner ha de ser superior a la tensin de la fuente Vcc).

b) Diodo en antiparalelo con la carga RL. c) Red RC polarizada en paralelo con el transistor (red snubber). Las dos primeras limitan la tensin en el transistor durante el paso de saturacin a corte, proporcionando a travs de los diodos un camino para la circulacin de la intensidad inductiva de la carga. En la tercera proteccin, al cortarse el transistor la intensidad inductiva sigue pasando por el diodo y por el condensador CS, el cual tiende a cargarse a una tensin Vcc. Diseando adecuadamente la red RC se consigue que la tensin en el transistor durante la conmutacin sea inferior a la de la fuente, alejndose su funcionamiento de los lmites por disipacin y por avalancha secundaria. Cuando el transistor pasa a saturacin el condensador se descarga a travs de RS.

El efecto producido al incorporar la red snubber es la que se puede apreciar en la figura adjunta, donde vemos que con esta red, el paso de saturacin (punto A) a corte (punto B) se produce de forma ms directa y sin alcanzar valores de VCE superiores a la fuente Vcc.

Para el clculo de CS podemos suponer, despreciando las prdidas, que la energa almacenada en la bobina L antes del bloqueo debe haberse transferido a CS cuando la intensidad de colector se anule. Por tanto :

de donde :

Para calcular el valor de RS hemos de tener en cuenta que el condensador ha de estar descargado totalmente en el siguiente proceso de bloqueo, por lo que la constante de tiempo de RS y CS ha de ser menor (por ejemplo una quinta parte) que el tiempo que permanece en saturacin el transistor :

Clculo de potencias disipadas en conmutacin con carga resistiva

La grfica superior muestra las seales idealizadas de los tiempos de conmutacin (ton y toff) para el caso de una carga resistiva.

Supongamos el momento origen en el comienzo del tiempo de subida (tr) de la corriente de colector. En estas condiciones (0 t tr) tendremos :

donde IC ms vale :

Tambin tenemos que la tensin colector - emisor viene dada como :

Sustituyendo, tendremos que :

Nosotros asumiremos que la VCE en saturacin es despreciable en comparacin con Vcc.

As, la potencia instantnea por el transistor durante este intervalo viene dada por :

La energa, Wr, disipada en el transistor durante el tiempo de subida est dada por la integral de la potencia durante el intervalo del tiempo de cada, con el resultado:

De forma similar, la energa (Wf) disipada en el transistor durante el tiempo de cada, viene dado como:

La potencia media resultante depender de la frecuencia con que se efecte la conmutacin:

Un ltimo paso es considerar tr despreciable frente a tf, con lo que no cometeramos un error apreciable si finalmente dejamos la potencia media, tras sustituir, como:

Clculo de potencias disipadas en conmutacin con carga inductiva

Arriba podemos ver la grfica de la iC(t), VCE(t) y p(t) para carga inductiva. La energa perdida durante en ton viene dada por la ecuacin:

Durante el tiempo de conduccin (t5) la energa perdida es despreciable, puesto que VCE es de un valor nfimo durante este tramo.

Durante el toff, la energa de prdidas en el transistor vendr dada por la ecuacin:

La potencia media de prdidas durante la conmutacin ser por tanto:

Si lo que queremos es la potencia media total disipada por el transistor en todo el periodo debemos multiplicar la frecuencia con la sumatoria de prdidas a lo largo del periodo (conmutacin + conduccin). La energa de prdidas en conduccin viene como:

Ataque y proteccin del transistor de potencia Como hemos visto anteriormente, los tiempos de conmutacin limitan el funcionamiento del transistor, por lo que nos interesara reducir su efecto en la medida de lo posible.

Los tiempos de conmutacin pueden ser reducidos mediante una modificacin en la seal de base, tal y como se muestra en la figura anterior.

Puede verse como el semiciclo positivo est formado por un tramo de mayor amplitud que ayude al transistor a pasar a saturacin (y por tanto reduce el ton) y uno de amplitud suficiente para mantener saturado el transistor (de este modo la potencia disipada no ser excesiva y el tiempo de almacenamiento no aumentar). El otro semiciclo comienza con un valor negativo que disminuye el toff, y una vez que el transistor est en corte, se hace cero para evitar prdidas de potencia. En consecuencia, si queremos que un transistor que acta en conmutacin lo haga lo ms rpidamente posible y con menores prdidas, lo ideal sera atacar la base del dispositivo con una seal como el de la figura anterior. Para esto se puede emplear el circuito de la figura siguiente.

En estas condiciones, la intensidad de base aplicada tendr la forma indicada a continuacin:

Durante el semiperiodo t1, la tensin de entrada (Ve) se mantiene a un valor Ve (mx). En estas condiciones la VBE es de unos 0.7 v y el condensador C se carga a una tensin VC de valor:

debido a que las resistencias R1 y R2 actan como un divisor de tensin.

La cte. de tiempo con que se cargar el condensador ser aproximadamente de:

Con el condensador ya cargado a VC, la intensidad de base se estabiliza a un valor IB que vale:

En el instante en que la tensin de entrada pasa a valer -Ve(min), tenemos el condensador cargado a VC, y la VBE=0.7 v. Ambos valores se suman a la tensin de entrada, lo que produce el pico negativo de intensidad IB (mn):

A partir de ese instante el condensador se descarga a travs de R2 con una constante de tiempo de valor R2C.

Para que todo lo anterior sea realmente efectivo, debe cumplirse que:

con esto nos aseguramos que el condensador est cargado cuando apliquemos la seal negativa. As, obtendremos finalmente una frecuencia mxima de funcionamiento :

Un circuito ms serio es el de Control Antisaturacin:

El tiempo de saturacin (tS)ser proporcional a la intensidad de base, y mediante una suave saturacin lograremos reducir tS :

Inicialmente tenemos que:

En estas condiciones conduce D2, con lo que la intensidad de colector pasa a tener un valor:

Si imponemos como condicin que la tensin de codo del diodo D1 se mayor que la del diodo D2, obtendremos que IC sea mayor que IL:

En lo que respecta a la proteccin por red snubber, ya se ha visto anteriormente.

[Bibliografa] J. Domingo Aguilar Pea: jaguilar@ujaen.es Miguel ngel Montejo Rez: radas ecnologa Smart Power La expresin smart power se refiere a la tecnologa de integracin en un dispositivo monoltico de uno o varios componentes de potencia y de componentes lgicos o analgicos de tratamiento de seal.

Campos de aplicacin :

Sistemas basados en microprocesador. Motores (CC, CA y paso a paso). Pantallas planas. Telecomunicaciones. Cabezales de impresora. Fuentes de alimentacin. Lmparas (automvil).

Estos circuitos integrados disipan una potencia apreciable (2 - 4 A). Algunos pueden incluso llevar la etapa de control (circuitos integrados inteligentes).

Para integrar en una pastilla la parte de potencia y la parte de control, se han usado dos tecnologas : la bipolar y la mixta. La tecnologa bipolar consiste en la utilizacin de soluciones bipolares para cada uno de los elementos de potencia y de control. La tecnologa mixta se basa en la realizacin de la parte de potencia y de la parte de control mediante procesos diferentes.

Segn el tipo de uso que necesitemos escogeremos una tecnologa de fabricacin, optando por CMOS cuando la parte de control del circuito smart power ha de incluir funciones digitales. Ello se debe a un menor consumo de potencia y al hecho de no presentar dependencias entre la ganancia y la corriente. Con estos circuitos obtenemos un mayor rendimiento y una mayor facilidad de implementacin, ya que los circuitos de control no hay que disearlos, los tenemos hechos. Esto hace que su implantacin en el mercado vaya creciendo con el paso de los aos, al proporcionar soluciones a mltiples necesidades, con un bajo costo y sencillez.

[Bibliografa] Tipos de rels Un rel es un sistema mediante el cul se puede controlar una potencia mucho mayor con un consumo en potencia muy reducido.

Tipos de rels:

Rels electromecnicos:

A) Convencionales. B) Polarizados. C) Reed inversores.

Rels hbridos. Rels de estado slido.

Estructura de un rel

En general, podemos distinguir en el esquema general de un rel los siguientes bloques:

Circuito de entrada, control o excitacin. Circuito de acoplamiento. Circuito de salida, carga o maniobra, constituido por:

- circuito excitador. - dispositivo conmutador de frecuencia. - protecciones.

Caractersticas generales Las caractersticas generales de cualquier rel son:

El aislamiento entre los terminales de entrada y de salida. Adaptacin sencilla a la fuente de control. Posibilidad de soportar sobrecargas, tanto en el circuito de entrada como en el de salida. Las dos posiciones de trabajo en los bornes de salida de un rel se caracterizan por:

- En estado abierto, alta impedancia. - En estado cerrado, baja impedancia.Para los rels de estado slido se pueden aadir :

Gran nmero de conmutaciones y larga vida til. Conexin en el paso de tensin por cero, desconexin en el paso de intensidad por cero. Ausencia de ruido mecnico de conmutacin. Escasa potencia de mando, compatible con TTL y MOS. insensibilidad a las sacudidas y a los golpes. Cerrado a las influencias exteriores por un recubrimiento plstico.

Rels electromecnicos. Estn formados por una bobina y unos contactos los cuales pueden conmutar corriente continua o bien corriente alterna. Vamos a ver los diferentes tipos de rels electromecnicos.

Rels de tipo armadura Son los ms antiguos y tambin los ms utilizados. El esquema siguiente nos explica prcticamente su constitucin y funcionamiento. El electroimn hace vascular la armadura al ser excitada, cerrando los contactos dependiendo de si es N.O N.C (normalmente abierto o normalmente cerrado).

Rels de Ncleo Mvil

Estos tienen un mbolo en lugar de la armadura anterior. Se utiliza un solenoide para cerrar sus contactos, debido a su mayor fuerza atractiva (por ello es til para manejar altas corrientes).

Rel tipo Reed o de Lengeta

Formados por una ampolla de vidrio, en cuyo interior estn situados los contactos (pueden se mltiples) montados sobre delgadas lminas metlicas. Dichos contactos se cierran por medio de la excitacin de una bobina, que est situada alrededor de dicha ampolla.

Rels Polarizados

Llevan una pequea armadura, solidaria a un imn permanente. El extremo inferior puede girar dentro de los polos de un electroimn y el otro lleva una cabeza de contacto. Si se excita al electroimn, se mueve la armadura y cierra los contactos. Si la polaridad es la opuesta girar en sentido contrario, abriendo los contactos cerrando otro circuito( varios)

Rels de estado slido Un rel de estado slido SSR (Solid State Relay), es un circuito elctrnico que contiene en su interior un circuito disparado por nivel, acoplado a un interruptor semiconductor, un transistor o un tiristor. Por SSR se entender un producto construido y comprobado en una fbrica, no un dispositivo formado por componentes independientes que se han montado sobre una placa de circuito impreso.

Estructura del SSR:

Circuito de Entrada o de Control:

Control por tensin continua: el circuito de entrada suele ser un LED ( Fotodiodo), solo o con una resistencia en serie, tambin podemos encontrarlo con un diodo en antiparalelo para evitar la inversin de la polaridad por accidente. Los niveles de entrada son compatibles con TTL, CMOS, y otros valores normalizados ( 12V, 24V, etc.).

Control por tensin Alterna: El circuito de entrada suele ser como el anterior incorporando un puente rectificador integrado y una fuente de corriente continua para polarizar el diodo LED.

Acoplamiento.

El acoplamiento con el circuito se realiza por medio de un optoacoplador o por medio de un transformador que se encuentra acoplado de forma magntica con el circuito de disparo del Triac.

Circuito de Conmutacin o de salida.

El circuito de salida contiene los dispositivos semiconductores de potencia con su correspondiente circuito excitador. Este circuito ser diferente segn queramos conmutar CC, CA.

[Bibliografa] J. Domingo Aguilar Pea: jaguilar@ujaen.es Miguel ngel Montejo Rez: radastan@swin.net ndice

Optoacopladores. Funcionamiento del Optoacoplador. Diferentes tipos de Optoacopladores.

Optoacopladores Un optoacoplador combina un dispositivo semiconductor formado por un fotoemisor, un fotoreceptor y entre ambos hay un camino por donde se transmite la luz. Todos estos elementos se encuentran dentro de un encapsulado que por lo general es del tipo DIP.

Funcionamiento del Optoacoplador La seal de entrada es aplicada al fotoemisor y la salida es tomada del fotoreceptor. Los optoacopladores son capaces de convertir una seal elctrica en una seal luminosa modulada y volver a convertirla en una seal elctrica. La gran ventaja de un optoacoplador reside en el aislamiento elctrico que puede establecerse entre los circuitos de entrada y salida.

Los fotoemisores que se emplean en los optoacopladores de potencia son diodos que emiten rayos infrarrojos (IRED) y los fotoreceptores pueden ser tiristores o transistores.

Cuando aparece una tensin sobre los terminales del diodo IRED, este emite un haz de rayos infrarrojo que transmite a travs de una pequea guia-ondas de plstico o cristal hacia el fotorreceptor. La energa luminosa que incide sobre el fotorreceptor hace que este genere una tensin elctrica a su salida. Este responde a las seales de entrada, que podran ser pulsos de tensin.Diferentes tipos de Optoacopladores Fototransistor: se compone de un optoacoplador con una etapa de salida formada por un transistor BJT.

Fototriac: se compone de un optoacoplador con una etapa de salida formada por un triac Fototriac de paso por cero: Optoacoplador en cuya etapa de salida se encuentra un triac de cruce por cero. El circuito interno de cruce por cero conmuta al triac slo en los cruce por cero de la corriente alterna.

[Bibliografa] J. Domingo Aguilar Pea: jaguilar@ujaen.es Miguel ngel Montejo Rez: radastan@swin.net

NTRODUCCIN El documento a continuacin presentado, muestra la teora general utilizada para el anlisis de circuitos RC, RL y RLC. Se demostrarn sus ecuaciones normales y algunas de sus propiedades fsicas.

CIRCUITOS RC Los circuitos RC son circuitos que estn compuestos por una resistencia y un condensador. Se caracteriza por que la corriente puede variar con el tiempo. Cuando el tiempo es igual a cero, el condensador est descargado, en el momento que empieza a correr el tiempo, el condensador comienza a cargarse ya que hay una corriente en el circuito. Debido al espacio entre las placas del condensador, en el circuito no circula corriente, es por eso que se utiliza una resistencia.

Cuando el condensador se carga completamente, la corriente en el circuito es igual a cero. La segunda regla de Kirchoff dice: V = (IR) - (q/C) Donde q/C es la diferencia de potencial en el condensador. En un tiempo igual a cero, la corriente ser: I = V/R cuando el condensador no se ha cargado. Cuando el condensador se ha cargado completamente, la corriente es cero y la carga ser igual a: Q = CV CARGA DE UN CONDENSADOR Ya se conoce que las variables dependiendo del tiempo sern I y q. Y la corriente I se sustituye por dq/dt (variacin de la carga dependiendo de la variacin del tiempo): (dq/dt)R = V - (q/C) dq/dt = V/R - (q/(RC)) Esta es una ecuacin Diferencial. Se pueden dq/dt = (VC - q)/(RC) Separar variable dq/(q - VC) = - dt/(RC)

Al integrar se tiene ln [ - (q - VC)/VC)] = -t/(RC) Despejando q q dt = C V [(1 - e-t/RC )] = q (1- e-t/RC ) El voltaje ser

)=V DESCARGA DE UN CONDENSADOR Debido a que la diferencia de potencial en el condensador es IR = q/C, la razn de cambio de carga en el condensador determinar la corriente en el circuito, por lo tanto, la ecuacin que resulte de la relacin entre el cambio de la cantidad de carga dependiendo del cambio en el tiempo y la corriente en el circuito, estar dada remplazando I = dq/dt en la ecuacin de diferencia de potencial en el condensador: q = Q e-t/RC Donde Q es la carga mxima La corriente en funcin del tiempo entonces, resultar al derivar esta ecuacin respecto al tiempo: I = Q/(RC) e-t/RC Se puede concluir entonces, que la corriente y la carga decaen de forma exponencial. CIRCUITOS RL Los circuitos RL son aquellos que contienen una bobina (inductor) que tiene autoinductancia, esto quiere decir que evita cambios instantneos en la corriente. Siempre se desprecia la autoinductancia en el resto del circuito puesto que se considera mucho menor a la del inductor.

Para un tiempo igual a cero, la corriente comenzar a crecer y el inductor producir igualmente una fuerza electromotriz en sentido contrario, lo cual har que la corriente no aumente. A esto se le conoce como fuerza contraelectromotriz. Esta fem est dada por: V = -L (inductancia) dI/dt Debido a que la corriente aumentar con el tiempo, el cambio ser positivo (dI/dt) y la tensin ser negativa al haber una cada de la misma en el inductor. Segn kirchhoff: V = (IR) + [L (dI / dt)] IR = Cada de voltaje a travs de la resistencia. Esta es una ecuacin diferencial y se puede hacer la sustitucin: x = (V/R) - I es decir; dx = -dI Sustituyendo en la ecuacin: x + [(L/R)(dx/dt)] = 0 dx/x = - (R/L) dt Integrando: ln (x/xo) = -(R/L) t Despejando x: x = xo e -Rt / L Debido a que xo = V/R El tiempo es cero Y corriente cero V/R - I = V/R e -Rt / L I = (V/R) (1 - e -Rt / L) El tiempo del circuito est representado por I = (V/R) (1 - e - 1/ ) = L/R

Donde para un tiempo infinito, la corriente de la malla ser I = V/R. Y se puede considerar entonces el cambio de la corriente en el tiempo como cero. Para verificar la ecuacin que implica a vez y se reemplaza en la inicial: dI/dt = V/L e - 1/ Se sustituye: V = (IR) + [L (dI / dt)] y a I, se deriva una

V = [ (V/R) (1 - e - 1/ 1/ V - V e - 1/ OSCILACIONES EN UN CIRCUITO LC = V - V e - 1/

)R + (L V/ L e )]

Cuando un condensador se conecta a un inductor, tanto la corriente como la carga den el condensador oscila. Cuando existe una resistencia, hay una disipacin de energa en el sistema porque una cuanta se convierte en calor en la resistencia, por lo tanto las oscilaciones son amortiguadas. Por el momento, se ignorar la resistencia.

En un tiempo igual a cero, la carga en el condensador es mxima y la energa almacenada en el campo elctrico entre las placas es U = Q2mx/(2C). Despus de un tiempo igual a cero, la corriente en el circuito comienza a aumentar y parte de la energa en el condensador se transfiere al inductor. Cuando la carga almacenada en el condensador es cero, la corriente es mxima y toda la energa est almacenada en el campo elctrico del inductor. Este proceso se repite de forma inversa y as comienza a oscilar. En un tiempo determinado, la energa total del sistema es igual a la suma de las dos energas (inductor y condensador): U = Uc + UL U = [ Q2/(2C) ] + ( LI2/2 ) CIRCUITO RLC Un circuito RLC es aquel que tiene como componentes una resistencia, un condensador y un inductor conectados en serie

En un tiempo igual a cero, el condensador tiene una carga mxima (Qmx). Despus de un tiempo igual a cero, la energa total del sistema est dada por la ecuacin presentada en la seccin de oscilaciones en circuitos LC U = [ Q2/(2C) ] + ( LI2/2 ) En las oscilaciones en circuitos LC se haba mencionado que las oscilaciones no eran amortiguadas puesto que la energa total se mantena constante. En circuitos RLC, ya que hay una resistencia, hay oscilaciones amortiguadas porque hay una parte de la energa que se transforma en calor en la resistencia. El cambio de la energa total del sistema dependiendo del tiempo est dado por la disipacin de energa en una resistencia: dU/dt = - I2R Luego se deriva la ecuacin de la energa total respecto al tiempo y se remplaza la dada: LQ + RQ + (Q/C) = 0 Se puede observar que el circuito RCL tiene un comportamiento oscilatorio amortiguado: m(d2x/dt2) + b(dx/dt) + kx = 0 Si se tomara una resistencia pequea, la ecuacin cambiara a : Q = Qmx e -(Rt/2L)Cos wt w = [ (1/LC) - (R/2L)2 ] 1/2 Entre ms alto el valor de la resistencia, la oscilacin tendr amortiguamiento ms veloz puesto que absorbera ms energa del sistema. Si R es igual a (4L/C) el sistema se encuentra sobreamortiguado. carga tiempo CONCLUSIONES Se visualiz la configuracin general para los circuitos RC, RL y RLC. Se present las propiedades fsicas generales de los circuitos RC, RL y RLC. Se establecieron las ecuaciones para carga y descarga de un condensador en los circuitos RC.

Se mostr la ecuacin general para la corriente en un circuito RL, as como el tiempo dado por la relacin entre resistencia e inductancia. Se entendieron las propiedades de los circuitos RLC. Se expuso las ecuaciones generales para el anlisis de circuitos RLC. BIBLIOGRAFA SERWAY. Fsica Tomo II Cuarta edicin. Ed Mc Graw Hill.

PWM Signal GeneratorsV3.02 27-Jul-04 Estado de la prueba: Mixto. Algunos no probado, alguna especia simulado.

1. IntroduccinPWM o modulacin por ancho de pulso, es un mtodo para controlar la cantidad de energa a una carga sin tener que disipar la energa en la carga de los controladores. Imagine una bombilla de 10W de carga suministrada por una batera. En este caso, la batera suministra 10 vatios de potencia, y la bombilla de 10W convierte esta en luz y calor. No se pierde el poder en cualquier otro lugar en el circuito. Si queremos atenuar la bombilla, por lo que slo se absorbe 5W de potencia, podramos poner una resistencia en serie que absorbe 5W, la bombilla de 5W podra absorber el otro. Esto funcionara, pero la potencia disipada en la resistencia no slo hace que sea muy caliente, pero se desperdicia. La batera sigue siendo el suministro de 10W. Una forma alternativa es cambiar la bombilla y fuera muy rpido, as que es slo en la mitad del tiempo. A continuacin, la potencia media tomada por la bombilla sigue siendo slo 5W, y la potencia media suministrada por la batera es slo el suministro de 5W tambin. Si queremos que el foco de tomar 6W, que podra dejar el interruptor en un poco ms que el tiempo que estaba fuera, y luego un poco de poder ms medio ser entregado a la bombilla. Este cambio de encendido y apagado se llama PWM. De la cantidad de energa entregada a la carga es proporcional al porcentaje de tiempo que la carga est encendido.

En el captulo de los controladores de velocidad en este sitio, hay una explicacin de por qu las seales de PWM se utilizan para conducir los controladores de velocidad. Es la misma razn que para el ejemplo de la bombilla de arriba.

2. Los mtodosLas seales PWM se puede generar en un nmero de maneras. Hay varios mtodos:

1. Mtodo analgico 2. Mtodo digital 3. Discreta IC 4. Microcontrolador a bordo

Todos ellos se describen.2.1. Mtodo analgico

Un diagrama de bloques de un anlogo de generador de PWM se muestra a continuacin:

Ahora vamos a pasar por cada una de estas etapas y encontrar la manera de ponerlas en prctica. 2.1.1. El comparador

Estamos comenzando en la salida, ya que esta es la parte fcil. El siguiente diagrama muestra cmo comparar una forma de onda de rampa con un nivel de DC produce la forma de onda PWM que se requiere. Cuanto mayor sea el nivel de corriente continua, mayor ser el pulso PWM. El nivel de DC es la "seal demanda". La seal de DC puede variar entre las tensiones mnima y mxima de la onda triangular.

Cuando la tensin de forma de onda triangular es mayor que el nivel de corriente continua, la salida de las oscilaciones amplificador operacional de alta, y cuando es menor, bajo los cambios de la produccin.2.1.2. La deteccin de la seal de demanda

Tenemos que convertir la seal proveniente del receptor de radio control en una seal PWM de la demanda. Esto se puede lograr mediante un servo, o mediante el uso de un circuito que decodifica la seal del receptor.2.1.2.1. El uso de un servo

En este mtodo, queremos un generador de PWM, que tendr una seal de un potencimetro de servo (estas seales tendrn que ser retirados por los cables del servo del cuerpo), y ofrecer un nivel lgico de salida PWM para el control de velocidad. Cuando el potencimetro servo es mnimo, queremos que la seal PWM a ser el 100% de descuento en el 0% y cuando el potencimetro servo est al mximo, queremos que la seal PWM a 0% de descuento sobre el 100%. Tambin queremos que el porcentaje a ser proporcional a la posicin del potencimetro. El potencimetro general, tiene su "extremo superior" conectado a un suministro de energa positiva, y su "extremo inferior" conectado a tierra. Luego a medida que gira la tensin en su limpiaparabrisas vara linealmente con la posicin del limpiaparabrisas.

2.1.2.2. Utilizando el circuito RxDetector

Esto se describe detalladamente en el RxDetector pgina.2.1.3. La generacin de la onda triangular

Hay varias formas de hacerlo:2.1.3.1. Escalera de resistencia ponderada en un contador

Un circuito de ejemplo de esto se muestra a continuacin. Este sistema utiliza una escala de resistencia contra y ponderada para generar la onda triangular (de hecho va a generar un diente de sierra, pero an as obtener una seal PWM en la final de la misma). Los valores de las resistencias reales que no estn disponibles (40k, 80k) se puede hacer con 20 mil resistencias, o aproximaciones cercanas se pueden utilizar, que pueden distorsionar un poco los dientes de sierra, pero esto no debera importar demasiado.

Haga clic en el diagrama del circuito para abrirlo en una nueva ventana. El 74HC14 es un inversor de entrada Schmitt, que est conectado a actuar como un oscilador simple. La frecuencia de oscilacin es ms o menos

pero no importa mucho en unas pocas decenas de por ciento. Esta onda cuadrada generada alimenta el binario 74HC163 contador de 4 bits. Todas las entradas predefinidas y claro de esto son los discapacitados, por lo que las salidas, Q A a la Q D acaba de rodar la secuencia binaria desde 0000 hasta 1111 y la renovacin en 0000 de nuevo. Estos resultados, que oscilan de 0 V a 5 V se introducen en un amplificador de verano binario ponderado, el de la izquierda LM324 seccin amplificador operacional con las resistencias de 80k, 40k, 20k y 10k. La tensin de salida de este amplificador depende del valor de cuenta del contador y se muestra en la siguiente tabla como AMP1 salida. El amplificador operacional despus de esto slo se multiplica el voltaje - , para hacer que el voltaje positivo, y traerlo de vuelta dentro de los niveles de tensin de la lgica, vase la columna de salida AMP2 en la tabla.El valor del contador

Valor binario

AMP1 salida (voltios)0 -0,625 -1,25 -1,875 -2,5 -3,125 -3,75 -4,375 -5 -5,625 -6,25

AMP2 salida (voltios)0 0,3125 0.625 0,9375 1.25 1,5625 1.875 2,1875 2.5 2,8125 3.125

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 1000 1001 1010

11 12 13 14 15

1011 1100 1101 1110 1111

-6,875 -7,5 -8,125 -8,75 -9,375

3,4375 3.75 4,0625 4.375 4,6875

Los resultados de dos simulaciones SPICE se muestran a continuacin. La primera es con el umbral fijado en un DC V, y el segundo con lo establecido en 3 V. La lnea azul es el nivel de umbral, la lnea verde se ve en la entrada + del comparador ms a la derecha, y la forma de onda de color rojo es la salida. La diferencia en la proporcin de PWM se puede ver claramente.

2.1.3.2. Forma de onda del generador ICs

ICs especialmente diseado para la generacin de ondas triangulares estn disponibles. Tal vez el ms comnmente conocido es el ICL8038 , que es bastante largo en el diente ahora, pero sigue siendo perfectamente adecuado. Un circuito para generar una onda triangular adecuado se muestra a continuacin.

conjunto de R igual a R B de una onda triangular regular (lados iguales subida y bajada). La frecuencia de la onda triangular est dada por la ecuacin:Un

El valor del capacitor debe ser elegido en el extremo superior de su rango posible. El generador de forma de onda se puede operar desde una sola fuente de alimentacin (10V a 30V) o una fuente de alimentacin dual (+ /-5V a + /-15V). Las oscilaciones de onda triangular de 1 / 3 de la tensin de alimentacin de hasta 2 / 3 de la tensin de alimentacin, por lo que en una sola fuente de +12 V que se pondran de 4V a 8V. El 8038 es tambin el segundo de origen por Exar2.2. Mtodos digitales El mtodo digital implica incrementar un contador, y comparar el valor del contador con un valor de registro de pre-carga, o el valor fijado por un ADC. Se trata bsicamente de una versin digital del mtodo analgico anterior. 2.2.1. Mtodo de registro digital

El registro debe ser cargado con el necesario nivel de PWM de un microcontrolador. Esto puede ser sustituida por un simple ADC si el nivel debe ser controlada por una seal analgica (como lo sera de un servo control de radio). A continuacin se muestra un ejemplo de circuito utilizando el mtodo de comparacin digital cuando un microcontrolador est disponible para establecer el valor de 4 bit del registro digital. Una luz estroboscpica es necesario escribir de lo micro a cierre del 4 bits de datos en el registro. El contador 74HC161 es de libre funcionamiento, la frecuencia es establecida por la seccin del oscilador 74HC14, que es aproximadamente f = 1 / (6.3RC). La frecuencia resultante de la seal PWM ser de 16 veces menos que este contador de frecuencia de reloj, ya que requiere de 16 pulsos para completar una "revolucin" de la

barra. Con R = 2k y C = 1nF esto se traduce en un contador de frecuencia de aproximadamente 80 kHz que se traducir en una frecuencia de la seal PWM de 5 kHz. El 74HC85 "mayor que" la salida ser alta cuando el valor del contador supera el valor establecido en el registro. Debido a que este circuito es de 4 bits, habr 16 niveles discretos de la relacin marca-espacio, que es perfectamente adecuado para nuestras necesidades.

Haga clic en el diagrama del circuito para abrirlo en una nueva ventana. Con el valor del umbral (el valor almacenado en el 74HC373) igual a 8 (es decir, Q7 y Q6 = 1 = Q5 = Q4 = 0), lo siguiente (simulacin Spice) de forma de onda se genera:

y con el valor umbral igual a 1 (es decir, Q7 = Q6 = Q5 y Q4 = 0 = 1), esta forma de onda se genera:

2.2.2. Digital ADC mtodo

Este circuito es bsicamente el mismo que el anterior, excepto el valor de la demanda que se compara es generado por el National Semiconductor ADC0804 bsica de 8-bit del convertidor ADC. Dado que este es un ADC de 8 bits, los 4 bits inferiores se dejan sin utilizar. El convertidor se configura de forma automtica propio reloj con una velocidad de

conversin gobernado por R2 y C2 en el circuito de. En este caso, el tipo de cambio se fija en 640kHz que se recomienda en la hoja de datos. El rango de entrada de la demanda es de 0 a 2,5 V por defecto, y esto puede ser establecido por un decodificador receptor del circuito, o por cualquier otro medio, como una tensin de 6 V servo potencimetro dividido por 2,4. Aunque el ADC es auto reloj, se requiere al menos un solo pulso en la entrada / WR para garantizar la puesta en marcha correcta. Esto no tiene que ser un solo pulso, que pueden ser recurrentes, por lo que el pulso del receptor de radio control que se repite cada 20 ms son los adecuados. El circuito completo se muestra a continuacin.

Haga clic en el diagrama del circuito para abrirlo en una nueva ventana.2.2.3. Incluyendo el decodificador del receptor

En el receptor decodificador pgina, un circuito digital que fue presentado el pulso decodificado por el receptor RC en una palabra de 4 bits. Este circuito se puede combinar con el circuito de la seccin 2.2.1 de arriba para llegar a una solucin completamente digital para la generacin de PWM. El circuito decodificador receptor reemplaza U4 del circuito de la seccin 2.2.1.

2.3. PWM generador de fichas Hay circuitos integrados disponibles que convierten un nivel DC en una salida PWM. Muchos de estos estn diseados para su uso en fuentes de alimentacin conmutadas. Desafortunadamente, los dispositivos diseados para fuentes de alimentacin conmutadas tienden a no permitir que la relacin marca-espacio para cambiar entre los 0 - 100% de rango. limitar muchos el mximo al 90%, lo que est limitando efectivamente el poder que usted puede enviar a los motores. Los dispositivos diseados como generadores de impulsos debe permitir que el conjunto que se utilizar. Algunos ejemplos son:

Fabricante ST Mxima

IC El uso normal SG1524 SMPS SG3525A MAX038 Generacin de seal

Comentario Puede operar a velocidades de hasta 100% ciclo de trabajo PWM de salida entre el 15% y 85%. Genera ondas triangulares y sinusoidales tambin.

Atmel

TI

TI

Generador de PWM para control Incluye circuitos integrados de limitacin U2352B de velocidad de de corriente de salida MOSFET. las herramientas porttiles TL494 SMPS Max deber del 90% del ciclo Ofrece muchas otras caractersticas para el Generador PWM control de la velocidad del motor DC. UC2638 para control de Tenga en cuenta que hay muchos otros motores dispositivos de TI de control del motor que figuran aqu .

Por otra parte, un conductor de IC, que incluye un generador de PWM se puede utilizar. Slo conozco una que an no est disponible! El SGS Thomson TD340 . Voy a presentar un diseo con el SG3525A. Gracias a Clive Sinclair (no es que uno!) Y el caso de Mark para este circuito:

Descripcin del circuito Este circuito integrado est diseado para su uso en alimentacin en modo conmutacin de potencia, pero se puede configurar para funcionar muy bien para nuestras necesidades. Para explicar el funcionamiento de este circuito es til para ver las entraas de la ficha, se muestra a continuacin:

La seal de demanda de velocidad de entrada en el pin 2, el amplificador operacional no inversor de entrada. La interna del amplificador operacional est conectado como un seguidor de la unidad de ganancia simple, y la seal de la demanda se aplica al comparador PWM. Esto se compara el nivel de demanda con la salida del oscilador, de la misma manera como se muestra en la seccin 2.1.1 .

La frecuencia del oscilador, y por lo tanto la seal PWM producido, se rige por el valor de la resistencia a tierra en el pin R T. La sincronizacin y la osc pins de salida no son necesarios para nuestros propsitos.

La etapa de salida es un poco extrao, ya que est diseado para la conduccin en los circuitos de transformadores bipolar SMPS. Sin embargo, podemos alambre por lo que produce una onda nica y simple PWM. Al no utilizar el transistor final de las etapas de salida totem-pole en ambos outa y salidas OUTB, empatando outa y OUTB a tierra, conectar una resistencia de pull-up en el pin Vc, a continuacin, los transistores de fondo de las etapas de salida, simplemente cambiar el Vc clavija a tierra, y la seal en el pin Vc es nuestro requiere una seal PWM. El IC tambin tiene dos mecanismos de proteccin para uso en circuitos SMPS que tambin podemos hacer uso. La funcin de arranque suave para evitar la salida de la saturacin en una proporcin de 100% cuando el chip se est encendiendo. Esto es til para nosotros, ya que detiene los motores de ser impulsado como nuestros circuitos estn encendiendo. La entrada de cierre es una entrada activa de altura que cierra inmediatamente las salidas y restablece la funcin de arranque suave. Esto puede ser usado por limitacin de corriente de un circuito para apagar el MOSFET de potencia en el regulador de velocidad, y el arranque suave-back-off ser el PWM, mientras que el problema puede ser abordado por el conductor.2.4. Microcontrolador a bordo

Si usted tiene un microcontrolador en el robot, esto puede ser capaz de generar la forma de onda, aunque si tiene ms de un par de motores, esto puede ser demasiado de una carga sobre los recursos del microcontrolador. As que si usted ha decidido utilizar un microcontrolador a bordo, a continuacin, como parte de su proceso de seleccin, incluyen si tiene salidas PWM. Si se tiene esto puede simplificar el proceso de generacin de seales. La serie Hitachi H8 tiene hasta 16 salidas PWM disponibles, pero muchos otros tipos tienen dos o tres.

Los dispositivos utilizados en estos circuitosLos siguientes dispositivos se utilizan en este circuito. Haga clic en el nombre del fabricante para ir a su sitio web, o el nombre del dispositivo para ir a la hoja de datos del dispositivo. FabricanteSGS Thompson

DispositivoSG3525A SMPS controlador ADC0804 de 8-bit ADC

National Semiconductor LM324 de doble amplificador operacional

Intersil

ICL8038 generador de forma de onda

74HC00 Quad NAND 74HC14 Schmitt entrada del inversor 74HC85 de 4 bits de comparacin Philips Semiconductors 74HC161 contador de 4 bits sncrono 74HC163 contador de 4 bits sncrono 74HC373 octal transparente cierreWelwyn 0,1% de precisin resistencia fija , por ejemplo RS parte no 165-769

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